CN102798750B - 一种电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信外调制技术领域，公开了一种电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统。本发明不仅能够消除激光器输出光功率的抖动对电光调制器传输曲线和半波电压测量的影响，使测量到的半波电压数值更加精确，而且实现了快速测量。本发明不仅可以测量电光调制器的直流半波电压，还可测量其射频半波电压。

Description

一种电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及光纤通信外调制技术领域，主要适用于电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统。

背景技术

为了满足人们日益增长的信息需求量，光纤通信系统的传输速率日益提高。未来光通信网将向着超高速率、超大容量、超长距离、超高频谱效率的光纤通信网络发展。实现高速光通信，发射机是关键。高速光信号发射机主要由产生光载波的激光器，调制电信号产生装置，及对光载波进行调制的高速电光调制器组成。相对其它类型的外调制器，铌酸锂电光调制器具有工作频率宽、稳定性好、消光比高、工作性能稳定、调制速率高、啁啾小、易于耦合、制作工艺技术成熟等优点，因而被广泛应用于高速、大容量、长距离的光传输系统。半波电压是电光调制器一个极为关键的物理参数，它表示了电光调制器输出光强从最小值到最大值所对应的偏置电压的改变量，它在很大程度上决定了电光调制器的性能。如何准确快捷地测量电光调制器的半波电压对于优化器件性能、提高器件使用效率具有重要意义。电光调制器的半波电压包括直流（DC）半波电压和射频（RF）半波电压。现有的测量半波电压的方法有极值法和倍频法，分别可以测量出调制器的直流（DC）半波电压和射频（RF）半波电压。它们的工作原理和流程分别是:

（1）极值法

采用极值法测量电光调制器直流半波电压，首先，在不加调制信号的情况下，通过测量直流偏压与输出光强变化，得到电光调制器的传输函数曲线，并从传输函数曲线上确定极大值点和极小值点，分别得到对应的直流电压值V_max，V_min。最终，这两个电压值差即为电光调制器的半波电压V_π＝V_max-V_min。

（2）倍频法

采用倍频法测量电光调制器射频半波电压时，将直流偏置电压和交流调制信号同时加到电光调制器上。调节直流电压，当输出光强度被调节到极大值或极小值时，在双踪示波器上可以观察到输出的调制信号将出现倍频失真。相邻两次倍频失真所对应的直流电压之差即为电光调制器的射频（RF）半波电压。

极值法和倍频法从理论上讲都是可以测量电光调制器的半波电压的，但相比较而言，极值法所需的测量时间较长，较长时间的测量会因激光器输出光功率波动而引起测量误差。极值法需要以较小的步进值扫描直流偏压并同时记录调制器输出光功率，才可能获得较精确的直流半波电压数值。

倍频法是通过观察倍频波形测定半波电压的方法。当所加偏压到一定值时，出现的倍频失真、波形失真的现象不是太明显，也不太便于肉眼观察。这样，势必会引起较大的误差，并且它所测量的是电光调制器的射频半波电压。

以上两种方法都只是粗略地通过观察电光调制器输出光信号，而不是用精确的数学表达式来测量电光调制器的半波电压的，所以传统的测量半波电压的方法只是一种简单、粗略的方法，存在较大的误差。对于未来高速光纤通信系统，如何精确快速测量电光调制器的半波电压是一个重大挑战，因此需要寻求一种快速、精确测量电光调制器半波电压的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统，它不仅能够消除激光器输出光功率的抖动对电光调制器传输曲线和半波电压测量的影响，使测量到的半波电压数值更加精确，而且实现了快速测量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电光调制器的半波电压的测量方法包括：

将直流偏压或射频调制信号与扰动信号合成后送入电光调制器；

提取出从电光调制器输出的所述扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量；

通过所述两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系计算得到半波电压。

进一步的，在所述提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量之前，先确定电光调制器的传输函数，再在所述传输函数中加入由所述扰动信号引起的相移，接着通过公式转换将传输函数转换成关于扰动信号谐波响应的输出函数。

进一步的，所述提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量包括：先通过三角函数将所述关于扰动信号谐波响应的输出函数展开，接着通过泰勒级数进一步的将关于扰动信号谐波响应的输出函数展开成多阶函数；再对所述多阶函数进行频谱分析，得到扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量。

进一步的，所述通过两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系计算得到半波电压包括：将所述得到的谐波分量做除法运算，得到两种谐波分量幅度的比值、所述扰动信号的幅度与半波电压的关系表达式，将两种谐波分量幅度的比值和扰动信号的幅度代入所述关系表达式中得到半波电压。

进一步的，所述提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量中的谐波分量包括：基波和三次谐波，或二次谐波和四次谐波。

本发明还提供了一种电光调制器的半波电压的测量系统包括：

信号合成模块，将直流偏压或射频调制信号与扰动信号经偏置器合成后送入电光调制器；

信号转换模块，将由电光调制器输出的光信号通过光耦合器，其中的一部分光信号进入光电探测器，光电探测器将该部分光信号转换成电信号；

信号处理模块，对所述电信号进行放大和模数转换，并输入到FPGA模块中；

信号运算模块，通过快速傅里叶变换将在所述FPGA模块中扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来，并对所述谐波分量的幅度做除法运算，通过谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系得到半波电压。

进一步的，所述通过快速傅里叶变换将在FPGA模块中扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来中的谐波分量包括：基波和三次谐波，或二次谐波和四次谐波。

进一步的，所述扰动信号为低频扰动信号。

进一步的，还包括：显示模块，将得到的半波电压显示出来。

本发明的有益效果在于：

本发明不需要像传统极值法那样通过不断的调整电光调制器的直流偏置电压值来测量半波电压，整个测量过程只需要给定低频扰动信号电压就可一次性完成测量、计算及显示。本发明还消除了在电光调制器的半波电压的测量过程中，由于激光源输出功率抖动、调制器插入损耗变化对测量结果造成的不良影响，提高了测量的精度。同时，由于本发明是基于一个解析表达式来直接计算电光调制器的半波电压的，而传统方法是通过判断电光调制器的传输函数的极值来间接求取半波电压，或通过判断波形倍频失真的方法来测量半波电压的。因此，本发明具有十分明显的优势，更快速，也更精确。另外，由于低频扰动信号与在进行高速光调制时加载的高速射频调制信号互不干扰，故本发明还可以为高速光发射机提供一个辅助功能，即完成电光调制器工作点漂移的实时监测。通过测量电光调制器的半波电压数值来判断电光调制器工作点处应该加载的偏置电压的大小，便于调制器偏置电压的控制和锁定。此外，本发明不仅可以测量电光调制器的直流半波电压，还可测量其射频半波电压。

附图说明

图1为本发明提供的电光调制器的半波电压的测量方法的流程图。

图2为本发明提供的电光调制器的半波电压的测量系统的结构框图。

图3为本发明实施例一提供的电光调制器的半波电压的测量方法中电光调制器的传输函数的波形图。

其中，A-输入的电信号，B-输出的光信号。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电光调制器的半波电压的测量方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

由图1可知，本发明提供的电光调制器的半波电压的测量方法包括：

将直流偏压或射频调制信号与低频扰动信号合成后送入电光调制器对应的直流偏压输入端或射频信号输入端；

确定电光调制器的传输函数，再在传输函数中加入由低频扰动信号引起的相移，接着通过公式转换将传输函数转换成关于扰动信号谐波响应的输出函数；

从关于扰动信号谐波响应的输出函数中提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量；具体方法如下：

先通过三角函数将关于扰动信号谐波响应的输出函数展开；

接着通过泰勒级数进一步的将关于扰动信号谐波响应的输出函数展开成多阶函数；

再对多阶函数进行频谱分析，得到扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量。

将得到的谐波分量做除法运算，得到两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系表达式，将两种谐波分量幅度的比值和扰动信号的幅度代入关系表达式中得到半波电压。

由图2可知，本发明还提供了一种电光调制器的半波电压的测量系统，包括：

信号合成模块，将直流偏压或射频调制信号与低频扰动信号经偏置器合成后送入电光调制器；

信号转换模块，将由电光调制器输出的光信号通过光耦合器，其中的一部分光信号进入光电探测器，光电探测器将该部分光信号转换成电信号；

信号处理模块，对电信号进行放大和模数转换，并输入到FPGA模块中；

信号运算模块，通过快速傅里叶变换将在FPGA模块中低频扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来，并对谐波分量的幅度做除法运算，通过谐波分量幅度的比值、低频扰动信号的幅度与半波电压的关系得到半波电压；

显示模块，将得到的半波电压显示出来。

优选的，提取出来的低频扰动信号的谐波分量可以是基波和三次谐波，也可以是二次和四次等更高阶次谐波分量。

实施例一：

通过本发明提供的电光调制器的半波电压的测量方法对电光调制器的直流半波电压进行测量，首先将直流偏压与低频扰动信号经偏置器合成后送入电光调制器的直流偏压输入端；确定电光调制器的传输函数，由图3可知，电光调制器的传输函数如下：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{P}_{\mathrm{in}}{T}_d[1+\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{RF}})]---\left(1\right)$

其中，P_out为电光调制器的输出光功率；

P_in为电光调制器的输入光功率；

T_d为电光调制器的插入损耗；

是电光调制器的直流偏压输入端所加电压V对应的偏置相位。其中，V_π，DC为电光调制器的直流半波电压，V是电光调制器的直流偏压输入端所加电压，它可以包含直流偏置电压V_DC和低频扰动信号电压V_LF，即V＝V_DC+V_LF。对应的，φ_DC可以是由直流偏置相移和低频扰动信号引起的相移两部分组成，即φ_DC＝φ₀+φ_LF；其中，低频扰动信号的频率为_ω,幅度为V_LF；

是射频调制信号（RF）引起的相移，其中，V_π,RF为电光调制器的射频信号的半波电压，V_RF是电光调制器的射频信号输入端所加的调制信号电压。需要说明的是，当电光调制器上不加直流偏压时，V_RF也可以包含调制信号电压和低频扰动信号电压。对应的，φ_RF可以是由射频调制信号（RF）引起的相移和低频扰动信号引起的相移两部分组成。

为了便于计算，假设电光调制器上不加射频（RF）调制信号，只在其直流偏压输入端加入一个恒定的直流电压和一个低频扰动信号。设所加直流电压为VDC，低频扰动信号是频率为ω,幅度为V_LF的正弦信号，则此时φ_RF＝0,φ_DC＝φ₀+φ_LF，其中为直流偏置相移，为低频扰动信号引起的相移，其中，V_LFsin(ωt)是低频扰动信号的电压。故电光调制器的输入光功率与输出光功率之间的关系可表示为：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_0+\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{LF}}}{V_{\mathrm{\π},\mathrm{DC}}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\left]\right\}---\left(2\right)$

令对公式（2）用三角函数展开，得到：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\{1+\cos {\mathrm{\φ}}_0\·\cos [\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]-\sin {\mathrm{\φ}}_0\·\sin [\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\left]\right\}---\left(3\right)$

利用泰勒级数（Taylor）展开到四阶可以得到：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\{1+\cos {\mathrm{\φ}}_0[1-\frac{{\mathrm{\α}}^2{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)}{2}+\frac{{\mathrm{\α}}^4{\sin }^4\left(\mathrm{\ωt}\right)}{24}]-\sin {\mathrm{\φ}}_0[\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)-\frac{{\mathrm{\α}}^3{\sin }^3\left(\mathrm{\ωt}\right)}{6}\left]\right\}$

（4）

进一步整理得：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\{1+\cos {\mathrm{\φ}}_0[1-\frac{{\mathrm{\α}}^2}{4}+\frac{{\mathrm{\α}}^4}{64}+(\frac{{\mathrm{\α}}^2}{4}-\frac{{\mathrm{\α}}^4}{48})\×\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)+\frac{{\mathrm{\α}}^4}{92}\cos \left(4\mathrm{\ωt}\right)]-$ $\left(5\right)$

$\sin {\mathrm{\φ}}_0[(\mathrm{\α}-\frac{{\mathrm{\α}}^3}{8})\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{{\mathrm{\α}}^3}{24}\sin \left(3\mathrm{\ωt}\right)]\}$

这里需要说明的是，为了使泰勒级数展开的余项尽可能小，从而减小四阶泰勒近似的截断误差，以提高测量精度。在本实施例中，α应该小于1。

对公式（5）进行频谱分析，可得到光电转换后信号的基波分量和三阶谐波分量的幅度：

$I_{1\mathrm{st}}=\mathrm{\η}\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\sin {\mathrm{\φ}}_0(\mathrm{\α}-\frac{{\mathrm{\α}}^3}{8})---\left(6\right)$

$I_{3\mathrm{rd}}=\mathrm{\η}\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\sin {\mathrm{\φ}}_0\left(\frac{{\mathrm{\α}}^3}{24}\right)---\left(7\right)$

其中，η表示光电二极管的响应度，单位为A/W。且式（6）为基波分量的幅度，式（7）为三阶谐波分量的幅度。

将式（6）和式（7）做除法运算，得到：

$R=\frac{I_{1\mathrm{st}}}{I_{3\mathrm{rd}}}=\frac{\mathrm{\η}\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\sin {\mathrm{\φ}}_0(\mathrm{\α}-\frac{{\mathrm{\α}}^3}{8})}{\mathrm{\η}\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_d}{2}\sin {\mathrm{\φ}}_0\left(\frac{{\mathrm{\α}}^3}{24}\right)}=\frac{24}{{\mathrm{\α}}^2}-3---\left(8\right)$

由于可见α是半波电压V_π，DC和低频扰动信号幅度V_LF的函数；由式（6）、式（7）和式（8）可知，三次谐波与基波信号幅度均与输入光功率和调制光路的插入损耗有关，但它们的比值与输入光功率以及光路的插入损耗无关。这样三次谐波和基波的幅度之比仅与α相关，又因为α是半波电压和扰动信号幅度的函数。于是很容易得到比值与半波电压的关系：

$V_{\mathrm{\π},\mathrm{DC}}=\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{LF}}\sqrt{\frac{3+R}{24}}---\left(9\right)$

因此，只要给定了低频扰动信号的幅度值，并得到相应的谐波分量幅度的比值，就可以精确得到电光调制器的半波电压。

通过本发明提供的电光调制器的半波电压的测量方法对电光调制器的射频半波电压进行测量，只需要在电光调制器的射频电压输入端加入射频调制信号和低频扰动信号，再按照相同的方法对函数表达式进行相应的转换和展开，得到相应的谐波分量幅度的比值，进而得到射频半波电压。

实施例二：

通过本发明提供的电光调制器的半波电压的测量系统对电光调制器的直流半波电压进行测量，首先在信号合成模块中将直流偏压与低频扰动信号经偏置器合成后送入电光调制器的直流偏压输入端；再通过信号转换模块将由电光调制器输出的光信号通过光耦合器，其中10％的光信号进入光电探测器，光电探测器将该部分光信号转换成电信号；接着通过信号处理模块对电信号进行放大后经模数转换，并将转换后的电信号输入到FPGA模块中；利用信号运算模块在FPGA模块中通过快速傅里叶变换将低频扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来，将得到的谐波分量做除法运算，得到两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系表达式，将两种谐波分量幅度的比值和扰动信号的幅度代入关系表达式中得到半波电压。最后，可以通过显示模块将得到的半波电压数据显示出来。

通过本发明提供的电光调制器的半波电压的测量系统对电光调制器的射频半波电压进行测量，只需要在电光调制器的射频电压输入端加入射频调制信号和低频扰动信号，再按照相同的方法通过信号转换模块、信号处理模块及信号运算模块得到射频半波电压，再通过显示模块将得到的半波电压数据显示出来即可。

本发明提供的电光调制器的半波电压的测量方法及测量系统不需要像传统极值法那样通过不断的调整电光调制器的直流偏置电压值来测量半波电压，整个测量过程只需要给定低频扰动信号电压就可一次性完成测量、计算及显示。本发明还消除了在电光调制器的半波电压的测量过程中，由于激光源输出功率抖动、调制器插入损耗变化对测量结果造成的不良影响，提高了测量的精度。同时，由于本发明是基于一个解析表达式来直接计算电光调制器的半波电压的，而传统方法是通过判断电光调制器的传输函数的极值来间接求取半波电压，或通过判断波形倍频失真的方法来测量半波电压的。因此，本发明具有十分明显的优势，更快速，也更精确。另外，由于低频扰动信号与在进行高速光调制时加载的高速射频调制信号互不干扰，故本发明还可以为高速光发射机提供一个辅助功能，即完成电光调制器工作点漂移的实时监测。通过测量电光调制器的半波电压数值来判断电光调制器工作点处应该加载的偏置电压的大小，便于调制器偏置电压的控制和锁定。此外，本发明不仅可以测量电光调制器的直流半波电压，还可测量其射频半波电压。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电光调制器的半波电压的测量方法，其特征在于，包括：

将直流偏压或射频调制信号与扰动信号合成后送入电光调制器；

先确定电光调制器的传输函数，再在所述传输函数中加入由所述扰动信号引起的相移，接着通过公式转换将传输函数转换成关于扰动信号谐波响应的输出函数；提取出从电光调制器输出的所述扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量；

通过所述两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系计算得到半波电压；

其中，所述通过所述两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系计算得到半波电压包括：将所述提取出的谐波分量做除法运算，得到两种谐波分量幅度的比值、所述扰动信号的幅度与半波电压的关系表达式，将两种谐波分量幅度的比值和扰动信号的幅度代入所述关系表达式中得到半波电压。

2.如权利要求1所述的电光调制器的半波电压的测量方法，其特征在于，所述提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量包括：先通过三角函数将所述关于扰动信号谐波响应的输出函数展开，接着通过泰勒级数进一步的将关于扰动信号谐波响应的输出函数展开成多阶函数；再对所述多阶函数进行频谱分析，得到扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量。

3.如权利要求1或2所述的电光调制器的半波电压的测量方法，其特征在于，所述提取出从电光调制器输出的扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量中的谐波分量包括：基波和三次谐波，或二次谐波和四次谐波。

4.一种电光调制器的半波电压的测量系统，其特征在于，包括：

信号合成模块，将直流偏压或射频调制信号与扰动信号经偏置器合成后送入电光调制器；

信号转换模块，将由电光调制器输出的光信号通过光耦合器，其中的一部分光信号进入光电探测器，光电探测器将该部分光信号转换成电信号；

信号处理模块，对所述电信号进行放大和模数转换，并输入到FPGA模块中；

信号运算模块，先确定电光调制器的传输函数，再在所述传输函数中加入由所述扰动信号引起的相移，接着通过公式转换将传输函数转换成关于扰动信号谐波响应的输出函数；通过快速傅里叶变换将在所述FPGA模块中扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来，通过所述两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系得到半波电压；其中，所述通过所述两种谐波分量幅度的比值、扰动信号的幅度与半波电压的关系得到半波电压，具体包括：将所述提取出的谐波分量做除法运算，得到两种谐波分量幅度的比值、所述扰动信号的幅度与半波电压的关系表达式，将两种谐波分量幅度的比值和扰动信号的幅度代入所述关系表达式中得到半波电压。

5.如权利要求4所述的电光调制器的半波电压的测量系统，其特征在于，所述通过快速傅里叶变换将在FPGA模块中扰动信号的至少两种奇或偶谐波分量提取出来中的谐波分量包括：基波和三次谐波，或二次谐波和四次谐波。

6.如权利要求4所述的电光调制器的半波电压的测量系统，其特征在于，所述扰动信号为低频扰动信号。

7.如权利要求4所述的电光调制器的半波电压的测量系统，其特征在于，还包括：显示模块，将得到的半波电压显示出来。